Введение
Содержание
Стр.
5
ГЛАВА 1. Зарядовые дефекты и методы контроля дефектности структур металл-диэлектрик полупроводник и приборов на их основе...'.... 11
1.1. Дефекты изоляции и зарядовые дефекты МДП-структур............ 11
1.2. Методы контроля дефектности МДП-структур...................... 15
1.3. Процессы накопления зарядов и генерации дефектов в МДП-структурах на основе термической двуокиси кремния в условиях сильнополевой туннельной инжекции.................................. 27
1.4. Единый подход к исследованию и контролю дефектов изоляции и зарядовой стабильности диэлектрических пленок МДП-структур... 34
Выводы к главе 1................................................... 40
ГЛАВА 2. Разработка инжекционного метода контроля дефектности диэлектрических слоев МДП-структур, реализующего единый подход к исследованию и контролю дефектов изоляции и зарядовой стабильности................................................................ 42
2.1. Система параметров комплексной оценки зарядовой нестабильности и дефектности МДП-структур................................ 42
2.2. Выбор инжекционных методов определения параметров. МДП-структур ..................................................... 45
2.3. Методика комплексной оценки зарядовой нестабильности и дефектности МДП-структур........................................ 58
2.4. Экспериментальные установки, применяемые для исследования и контроля зарядовых дефектов в условиях сильнополевой инжекции носителей...................................................... 61
Выводы к главе 2................................................... 65
* . . Стр
ГЛАВА 3: Моделирование процессов переноса и накопления зарядов в зарядовых дефектах МДП-структур...................................... 66.
3.1. Исследование влияния характеристик областей зарядовых дефек- . тов на напряжение микропробоя МДП-структур............................ 66
3.2. Модель зарядовой нестабильности МДП-структур, содержащих зарядовые дефекты..................................................................................................... 74
3.3. Исследование процессов переноса заряда в зарядовых дефектах МДП-структур 8ь8Ю2-роН-81..................................................... 78
3.4. Моделирование процессов накопления зарядов в зарядовых дефектах МДП-структур в условиях сильнополсвой туннельной инжек-ции................................................................ 82
Выводы к главе 3 ................................................... 90
ГЛАВА 4. Исследование процессов переноса и накопления зарядов в зарядовых дефектах МДП-структур в производстве полупроводниковых приборов........ ;.........'.................................. ; 9\
4.1. Исследование влияние, режимов сильнополевой туннельной ин- • жекции электронов в подзатворный диэлектрик МДП-структур на результаты статистического контроля зарядовой дефектности 91
4.2. Влияние технологических факторов- на зарядовую- дефектность МДП-транзисторов....................................................... 101
4;3. Автоматизированная установка контроля качества МДП-структур, реализующая инжекционный метод контроля параметров диэлектрических слоев в производственных условиях ....................... 114
4.4. Оперативное управление технологическим процессом получения нодзатворного диэлектрика МДП-транзисторов........................ 118
Выводы к главе 4.................................................... 121:
4
Стр.
Заключение.............................................................. 122
Общие выводы............................................................ 123
Литература.............................................................. 125
ВВЕДЕНИЕ
Основу современной микроэлектронной индустрии составляет кремниевые МДП технологии, доминирующие в цифровой технике и находящие все более широкое применение в аналоговой и микросистемной технике. Значительное число отказов полупроводниковых приборов и интегральных схем приходится на диэлектрические слои. Особое значение качество диэлектрических слоев имеет для полевых приборов и интегральных схем на основе структур мсталл-диэлектрик-полупроводник. Выявление потенциально ненадежных структур всегда имело важное значение для МДП-ИМС аппаратуры специального назначения. Остро данная проблема встала в настоящее время, когда производство ИМС характеризуется большой номенклатурой, малыми партиями, ограниченными сроками разработки и освоения производства. Обеспечение высокого качества изделий микроэлектроники в таких условиях предполагает разработку эффективных методов контроля качества и выявления потенциально ненадежных ИМС, позволяющих оценивать на ранних стадиях технологического процесса такие характеристики подзатворных диэлектрических слоев, как инжекционная стойкость, качество границы полупроводник-диэлектрик, плотность зарядовых дефектов, радиационную стойкость и др.
Особой чувствительностью к электрически активным дефектам обладают методы, использующие критические воздействия радиационные, термополевые, инжекционные. Одним из таких методов является сильнополевая туннельная инжекция электронов по Фаулеру-11ордгейму в подзатворный диэлектрик. В целом деградационные процессы в МДП-струкгурах в критических условиях изучены достаточно подробно. Разработаны методы определения параметров и характеристик МДП-структур в условиях сильнополевой туннельной инжекции. Однако они в большинстве своем не адаптированы к условиям производства интегральных схем. Определены механизмы и процессы накопления зарядов в диэлектрических слоях, изучена их кинетика, Однако широкому использованию данных методов препятствует недостаточ-
6
ная изученность процессов протекающих в областях дефектов и локальных неоднородностей в критических условиях. Это связано с малыми размерами дефектов, невозможностью непосредственного изучения электрофизичеких процессов в областях локальных неоднородностей, что предполагает применение косвенных методов, и вызывает необходимость разработки новых подходов и методов исследования.
Поэтому актуальной задачей является разработка инжекционных методов оценки качества диэлектрических слоев и выявления потенциально ненадежных интегральных схем основанные на исследованиях зарядовых дефектов в МДП-структурах в условиях сильных электрических полей.
Цель работы: установление физических механизмов накопления зарядов, особенностей переноса заряда и распределения полей в областях зарядовых дефектов, влияния их характеристик на устойчивость диэлектрических слоев к воздействию токополевых перегрузок при испытаниях и в- процессе эксплуатации, а также разработка комплексного инжекционного метода контроля дефектности изоляции и зарядовой дефектности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- сформировать систему параметров для оперативного контроля качества технологического процесса получения подзатворного диэлектрика МДП-ИМС.
- разработать модель накопления зарядов в МДП-структуре, содержащей зарядовые дефекты разных видов в режимах заряда емкости структуры и инжекции электронов в диэлектрик постоянным током;
- исследовать влияние характеристик зарядовых дефектов на изменение вольт-амперной характеристике (ВАХ) МДП-структур;
- на основе физического моделирования процессов накопления зарядов в зарядовых дефектах МДП-структур установить изменение их характеристик в условиях сильных электрических полей и инжекции носителей в различных электрических режимах, с последующим использованием результа-
7
тов моделирования для разработки методик производственного контроля и прогнозирования их инжекционной и радиационной-стойкости;
- исследовать влияние зарядовых дефектов на инжекционную стойкость диэлектрических слоев, изготовленных по разным технологиям;
- разработать производственный комплексный инжекционный метод контроля дефектности изоляции и зарядовой дефектности диэлектрических слоев МДП-структур.
Научная новизна
1. Разработана модель МДП-структуры с зарядовыми дефектами в условиях заряда емкости структуры и инжекции электронов постоянным током, позволяющая исследовать влияние электрофизических параметров зарядовых дефектов на ВАХ МДП-структуры.
2. На основе проведенного моделирования исследованы зависимости ВАХ МДП-структур с зарядовыми дефектами от плотности положительного заряда в диэлектрике, высоты потенциального барьера и толщины диэлектрической пленки в локальных областях зарядовых дефектов и- проведена оценка параметров зарядовых дефектов структур, попадающих в главный пик гистограммы распределения'МДП-структур по напряжению, микропробоя.
3. С использованием модели зарядового состояния'МДП-структур с зарядовыми дефектами при сильнополевой туннельной инжекции электронов из кремния, учитывающие неравномерное протекание инжекционного тока, проведены исследования электронных процессов в локальных областях зарядовых дефектов: различной природы в условиях сильнополевой туннельной инжекции.
4. Выполнены исследования влияния зарядовых дефектов на инжекционную стойкость диэлектрических слоев МДП-структур с термической пленкой БЮг.
Практическая значимость работы
1. Разработан инжекдионный метод оценки качества диэлектрических слоев МДП-структур на ранних стадиях технологических процессов, основанный на анализе временной зависимости напряжения на струэтуре при подаче на нее импульсов постоянного тока, и аппаратура для его реализации в производственных условиях.
2. Разработана система параметров характеризующих качество диэлектрических слоев МДП-структур в условиях производства МДП-ИС.
3. Предложены алгоритмы инжекционных воздействий и методики обработки результатов измерений', позволяющие характеризовать как* дефекты изоляции, так и дефекты зарядовой стабильности.
4. Проведена апробация разработанных методик при аттестации технологических процессов получения диэлектрических слоев изделий микроэлектроники.
5. Предложены рекомендации по совершенствованию технологического процесса формирования подзатворного диэлектрика МДП-транзисторов серии 2П7146 на ЗЛО «ВЗПП-Микрон» (г. Воронеж) и ОКБ «МЭЛ» (г. Калуга).
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
— результаты исследования влияния электрофизических параметров-зарядовых дефектов на ВАХ диэлектрических слоев- МДП-структур с термической пленкой БЮг и характера и степени изменения зарядового состояния и токовой нагрузки зарядовых дефектов в условиях сильнополевой инжекции;
- производственный комплексный инжскционный метод контроля дефектности изоляции и зарядовой дефектности диэлектрических слоев МДП-структур, на ранних стадиях технологического процесса, основанный на анализе временной зависимости напряжения на структуре при подаче на нее импульсов постоянного тока, позволивший осуществить единый подход к исследованию дефектности изоляции и зарядовой стабильности;
9
- результаты применения инжекционного метода оценки качества диэлектрических пленок-для контроля зарядовой дефектности и стабильности МДП-структур в условиях производства МДП-приборов.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях, семинарах и симпозиумах: Межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2009 г., 2010 г.), Региональных научно-технических конференциях "Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе" (Калуга, 2007 г.,
2008 г., 2009 г., 2010т., 2011 г.), International conference "Physics of electronic materials!' (Kaluga, 2008 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» (Калуга, 2005 - 2011 гг.), 18-20 Международном-совещании "Радиационная физика твёрдого тела". (Севастополь, 2008 г.,
2009 г., 2010 г.), 1 - IV Всероссийских школах-семинарах студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия» (Москва, Калуга, 2008, 2009, 2010, 2011), I и III Всероссийских школах-семинарах студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы» (Рязань, 2008, 2010), 1-й Всероссийской школа-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети "Функциональные наноматериалы для космической техники" (Москва, 2010), международной научно-технической конференция «Нанотехнологии функциональных материалов» (Санкт-Петербург, 2010), 41 международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. (Москва, МГУ, 2011).
10
Личный вклад автора: разработаны инжекционный метод оценки качества диэлектрических слоев МДП-структур и аппаратура для его реализации в производственных условиях; разработана модель МДП-структуры с зарядовыми дефектами в условиях заряда емкости структуры и инжекции электронов постоянным током, позволяющая исследовать влияние электрофизических параметров зарядовых дефектов на ВАХ МДП-структуры; выполнены все аналитические и экспериментальные исследования характеристик зарядовых дефектов в подзатворном диэлектрике МДП-структур; проведена интерпретация экспериментальных результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, из которых 2 - в рецензируемых журналах перечня, рекомендованного ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 140 страниц, включая 28 рисунков и 1 таблицу. Список литературы содержит 154 наименования.
ГЛАВА 1. ЗАРЯДОВЫЕ ДЕФЕКТЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТНОСТИ СТРУКТУР МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК ПОЛУПРОВОДНИК И ПРИБОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ
1.1. Дефекты изоляции и зарядовые дефекты МДП-структур
Выход годных структур и возможность увеличения степени интеграции интегральных схем ограничиваются плотностью дефектов на полупроводниковых пластинах. Качество подзатворного оксида МДП-транзисторов является одним из основополагающих факторов, влияющих на коэффициент выхода годных при производстве МДП-ИМС. Проблема повышения качества, снижения дефектности и повышения устойчивости при электрических воздействиях является одной из самых серьезных проблем, стоящих перед специалистами, работающими в данной области микроэлектроники. Увеличение степени интеграции МДП-ИМС сопровождается возрастанием площади кристаллов и плотности упаковки, что приводит к увеличению вероятности попадания дефекта в диэлектрике и поверхностном слое полупроводника на активные элементы схемы. Если грубые дефекты, приводящие к необратимым, отказам, легко выявляются* при выходном контроле [1-3], то дефекты, наличие которых не сказывается на работоспособности элементов МДП-БИС, выявить при рабочих режимах сложно. Такие дефекты могут приводить к отказам МДП-БИС в процессе эксплуатации. В сильных электрических полях в местах расположения дефектов происходит возрастание неоднородности- поля, концентрируются токи проводимости, что и позволяет выявлять в условиях сильных полей скрытые дефекты [4-7]. С другой стороны, именно эти дефекты в конечном итоге определяют надежность и устойчивость микросхем и электрическим перегрузкам, возникающим при их эксплуатации [4,5].
Дефекты, встречающиеся в тонкопленочных диэлектриках, условно разделяют на две группы: макродефекты и микродефекты [4]. К макродефектам относятся микротрещины и микровыколы, царапины и загрязнения на
12
поверхности подложки, микроканалы, поры, границы кристаллов, включения микрочастиц, проводящие трубки в пленке диэлектрика.. Вторая группа дефектов обусловлена дефектами атомного размера. Кислородные вакансии, избыточные кислородные ионы и другие анионы в междуузлиях решетки и,, наконец, ионы металлов в узлах или междуузлиях, микропористость и включения посторонних веществ, мелкодисперсность, связанная с частичной диссоциацией окислов металлов.
Среди причин образоваия макродефектов следует отметить следующие: загрязнение поверхности полупроводника продуктами химических реакций, пылыо [8,9]; дефекты подложки, выходящие на поверхность [4]; образование кристаллических включений [10] вследствие наличия примесей, источниками появления которых являются технологические газы, оснастка и оборудование [10,11]; наличие избыточного фосфора в кремнии п - типа, который способствует локальной кристаллизации пленки окисла, а следовательно и росту пор [12]; прорыв пленки диэлектрика примесными атомами, концентрирующимися на отдельных участках подложки [13] и испаряющихся- при высокотемпературных процессах; эффект растравливания- поверхности раздела окисел-кремний галогеносодержащими добавками [14];. изменение фазовых объемов при кристаллизации [15]; наличие макронапряжений в окисле [16-18]; загрязнения технологических сред микрочастицами [19]; появление механических напряжений вследствие различия коэффициентов линейного термического расширения пленки диэлектрика и подложки [9; 18], а также различия; ковалентных радиусов диффузанта и матрицы [13]; проведение процесса металлизации, в результате которого образуются капли металла и происходит химическое взаимодействие металла с диэлектриком [5,20].
Помимо указанных причин сквозные дефекты могут образовываться при фотолитографии и напылении контактов, а также за счет топологических особенностей подложки [21]. На дефектность пленки двуокиси кремния оказывают влияние и дефекты рабочего поля фотошаблонов, которые переносятся на фоторезист, а затем возникают в процессе травления на 8Ю2. В [22]
- Київ+380960830922